POLITEHNICA UNIVERSITY OF BUCHAREST - physics.pub.ro · Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect...

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3

2

DDISERTATIONISERTATION R RESEARCH ESEARCH SSTATUSTATUS

DDEVELOPING AN EVELOPING AN AAUTOMATED UTOMATED BBEAM EAM AALIGNMENT LIGNMENT SSOLUTION FOROLUTION FOR CETAL BTL CETAL BTL

"POLITEHNICA" UNIVERSITY OF BUCHARESTFACULTY OF APPLIED SCIENCES

MASTER'S PROGRAM: Laser and Accelerator Engineering and Applications

BucharestThe 21st of January 2016

Grad Student:Grad Student:Ing. Mihail-Gabriel BărbuțăIng. Mihail-Gabriel Bărbuță

Coordinator:Coordinator:Prof. Emil-Ioan SlușanschiProf. Emil-Ioan Slușanschi

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 3

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 4

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 5

CETAL Overview

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 6

CETAL BTL Overview

6 m

3.65 m

11 m

1 m 2.5 m

–––– 1.7 m

Beam Transport Line (BTL):

– 10-5 mbar vacuum, 3.5 m3

– 26 m in total length

– 6 motorized mirrors

– 160 mm FWHMbeam diameter

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 7

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 8

Problem definition

Current situation:

● Manual alignment takes time, requires two operators

● Beam drift due to pressure differential

Requirements:

● Accurately determine the beam deviation

● Command the mirror motor driver to correct the deviation

● Ability to manually control mirror orientations

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 9

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 10

Mirror Positioning

Motion constraints:

● M1-M5 – two-axis (in scope: M1, M2, M3)

● OAP1 – 5-axis (out of scope)

–––– M1

––– M2

M3 ––––––––––––––– –––––– OAP1M4 –––––––––––––––

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 11

Mirror design

Design:

● Mirror (310 x 230 x 65 mm)

● Kinematic Mounting Frame

● Mount

● Turning box

Actuators: PI-Micos MP-20

– Travel range: 13 mm

– Max. speed: 0.1 mm/s

– Resolution: 0.1 μm

– Backlash: ±1 μm

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 12

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 13

Image processing aquisition:

Topology:

● M1 is aligned using image on M2 (near-field)

● M2, M3 are aligned using image on M4 (far-field)

–––– M1

––– M2

M3 ––––––––––––––– M4 –––––––––––––––

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 14

Image processing diagnostics:

Cameras:● Near-field camera on M2: Webcam, 640 x 480 pixels● Far-field camera on M4: Basler 782 x 582 pixels

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 15

Image processing near-field processing:

Near-field images:

● With alignment mask

● Without alignment mask

Identified issues:

● Mirror defects (red)

● “High-tech” diffuser mounts (green)

● Noise

● …

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 16

Image processing near-field processing:

Identified issues (cont'd):

● Sync issue (purple)

● Clipping (orange)

● Internal reflections (cyan)

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 17

Image processing far-field processing:

Far-field images:

● Misaligned

● Aligned

Identified issues:

● Internal reflections

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 18

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

3.1. Mirror positioning

3.2. Image processing

3.3. Automation concept

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 19

Automation Milestones:

Milestones:

1) Accurately determine beam deviation

2) Manual motor control with GUI

3) Loop integration

Nice to have:

● NF beam centroid without mask

● Calibrated mirror motion profiles

● Interlock integration

● Scalability

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 20

Automation Architecture:

Architecture and integration:

NF CCD Camera

FF CCD CameraBTL Control PC

BTL DB Server

MirrorMotorDriver

BTL Command Station

M1

M2

M3

M4

M5

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 21

Automation Application:

Program structure:

Acquire near-field image

Post-processing

Mask shape detect

Display on GUI overlay

Command M1 correction

Acquire far-field image

Post-processing

Display on GUI overlay

Command M2 correction

Command M3 correction

coarse

fine

Append log fileAppend log file

Determine centroid deviation

Determine centre

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 22

Automation Development:

Development:

● Python – integration with existing command framework

● Libraries: numpy, scipy, OpenCV, matplotlib

● GUI solution TBD

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 23

Outline

1. CETAL BTL overview

2. Problem definition

3. Implementation

4. Conclusions and outlook

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 24

Conclusions

● Beam alignment automation is necessary

● Performed requirements and risks analysis

● Designed application architecture and topology

● Proposed solution will use mostly existing infrastructure

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 25

Outlook

● Code implementation and integration

● GUI design

● Testing phase and commissioning

● Potential implementation on other mirrors

Universitatea Politehnica București Facultatea de Științe Aplicate

Mihail-Gabriel Bărbuță - Proiect cercetare științifică 3 26

Thanks for your attention :)